示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量儀器。它能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)(這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理)。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

第一部分 示波器的介紹

示波器的作用

示波器屬于通用的儀器，任一個(gè)硬件工程師都應(yīng)該了解示波器的工作原理并能夠熟練使用示波器，掌握示波器是對(duì)每個(gè)硬件工程師的基本要求。

示波器是用來顯示波形的儀器，顯示的是信號(hào)電壓隨時(shí)間的變化。因此，示波器可以用來測(cè)量信號(hào)的頻率、周期，信號(hào)的上升沿/下降沿，信號(hào)的過沖，信號(hào)的噪聲，信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系等等。

在示波器顯示屏上，橫坐標(biāo)(X)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)(Y)代表電壓，(注，如果示波器有測(cè)量電流的功能，縱坐標(biāo)還代表電流。)還有就是比較少被關(guān)注的-亮度(Z)，在TEK的DPO示波器中，亮度還表示了出現(xiàn)概率(它用16階灰度來表示出現(xiàn)概率)。

示波器的分類

示波器分為萬用示波表，數(shù)字示波器，模擬示波器，虛擬示波器，任意波形示波器，手持示波表，數(shù)字熒光示波器，數(shù)據(jù)采集示波器。一般為模擬示波器和數(shù)字示波器兩類。在很多情況下，模擬示波器和數(shù)字示波器都可以用來測(cè)試，不過我們一般使用模擬示波器測(cè)試那些要求實(shí)時(shí)顯示并且變化很快的信號(hào)，或者很復(fù)雜的信號(hào)。而使用數(shù)字示波器來顯示周期性相對(duì)來說比較強(qiáng)的信號(hào)，另外由于是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字示波器內(nèi)置的CPU或者專門的數(shù)字信號(hào)處理器可以處理分析信號(hào)，并可以保存波形等，對(duì)分析處理有很大的方便。

1F模擬示波器

模擬示波器使用電子槍掃描示波器的屏幕，偏轉(zhuǎn)電壓使電子束從上到下均勻掃描，將波形顯示到屏幕上，它的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)顯示圖像。

模擬示波器的原理框圖如下：

見上圖所示，被測(cè)試信號(hào)經(jīng)過垂直系統(tǒng)處理(比如衰減或放大，即我們擰垂直按鈕-volts/div)，然后送到垂直偏轉(zhuǎn)控制中去。而觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)觸發(fā)設(shè)置情況，控制產(chǎn)生水平掃描電壓(鋸齒波)，送到水平偏轉(zhuǎn)控制中。

信號(hào)到達(dá)觸發(fā)系統(tǒng)，開始或者觸發(fā)“水平掃描”，水平掃描是一個(gè)是鋸齒波，使亮點(diǎn)在水平方向掃描。觸發(fā)水平系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)水平時(shí)基，使亮點(diǎn)在一個(gè)精確的時(shí)間內(nèi)從屏幕的左邊掃描到右邊。在快速掃描過程中，將會(huì)使亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)看起來象一條平滑的曲線。而信號(hào)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)電壓的電極上，效果也是產(chǎn)生了一個(gè)移動(dòng)的亮點(diǎn)，電壓為正將使點(diǎn)向上移動(dòng)，電壓為負(fù)則向下移動(dòng)，水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)電壓配合在一起，就能夠在屏幕上顯示信號(hào)的波形。在比較高的速度上，亮點(diǎn)能夠掃描過屏幕達(dá)50,0000次/秒，目前最好的通用示波器也不過每秒捕捉40,0000個(gè)波形，因此說模擬示波器比數(shù)字示波器的實(shí)時(shí)性要高，是有貨真價(jià)實(shí)的。

水平掃描和垂直偏轉(zhuǎn)能使信號(hào)的波形圖像能夠顯示到屏幕上，不過觸發(fā)系統(tǒng)也是必不可少的，它不僅僅是讓你抓到你需要的波形，還能夠使圖像穩(wěn)定地顯示到屏幕上，它能使重復(fù)的波形能夠在同一個(gè)點(diǎn)開始掃描，在屏幕顯示一個(gè)干凈和穩(wěn)定的圖像。

下圖顯示了沒有觸發(fā)和觸發(fā)的波形：沒有觸發(fā)的波形比較亂和在閃動(dòng)，不穩(wěn)定，而觸發(fā)的波形則非常的穩(wěn)定和干凈。

一般來說，使用一個(gè)模擬示波器，我們主要需要調(diào)整三個(gè)基本方面，也就是上面說的三個(gè)部分：

信號(hào)的衰減或者放大情況：使用volts/div旋鈕，可以調(diào)整信號(hào)在屏幕的范圍里面，垂直大小合適。

時(shí)基：使用sec/div旋鈕，調(diào)整每格代表的時(shí)間間隔，可以使信號(hào)在水平方向放大或者縮小。

觸發(fā)系統(tǒng)：可以調(diào)整觸發(fā)電平，能夠使波形穩(wěn)定顯示，或者尋找到我們需要的波形。

當(dāng)然，調(diào)整亮點(diǎn)的大小和亮底，可以使波形顯示達(dá)到最佳的顯示效果。

2F數(shù)字示波器

一個(gè)數(shù)字示波器對(duì)波形進(jìn)行采樣，并用AD轉(zhuǎn)換器將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形，最后將波形重現(xiàn)到屏幕上面。

數(shù)字示波器的原理圖如下：

當(dāng)我們將探頭接到線路上面時(shí)，垂直系統(tǒng)控制調(diào)整信號(hào)的衰減和放大，這個(gè)和模擬示波器一樣。接著，在采樣系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，連續(xù)的模擬信號(hào)變成了離散的點(diǎn)。水平系統(tǒng)的時(shí)基決定了采樣率的水平。比如TDS5054的最大采樣速率為5GSa/s，說明它最快的情況下能夠在每秒鐘采樣5G個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過采樣量化的點(diǎn)被存到存儲(chǔ)器里面，并拼成波形圖。

在數(shù)字示波器中，存儲(chǔ)波形點(diǎn)的長度，通常稱為存儲(chǔ)長度。由于處理要求非?？?，這些存儲(chǔ)器不是通用的SDRAM，而是專用的高速存儲(chǔ)器，價(jià)格比較貴，因此比較便宜的示波器都使用標(biāo)準(zhǔn)配置。觸發(fā)系統(tǒng)決定了保存點(diǎn)的開始和結(jié)束點(diǎn)的位置。存儲(chǔ)器里面的波形最后傳送到顯示系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。

為了增強(qiáng)示波器的綜合能力，數(shù)據(jù)處理是必須的。另外預(yù)觸發(fā)能夠讓我們能夠看到觸發(fā)前的波形情況。

和模擬示波器一樣，使用數(shù)字示波器來測(cè)試，也需要調(diào)整垂直幅度、水平時(shí)間間隔和觸發(fā)設(shè)置。

第三部分 采樣方法

對(duì)于比較慢的信號(hào)，示波器能夠采到足夠的采樣點(diǎn)來顯示波形，而對(duì)于比較快的信號(hào)(這里的快慢是針對(duì)示波器的采樣頻率來講的)，示波器不能夠采到足夠的采樣點(diǎn)來顯示波形。因此，示波器采樣一般采用兩種方法來對(duì)信號(hào)采樣，一是實(shí)時(shí)采樣，二是等效采樣。

1.實(shí)時(shí)采樣：

一次按照順序來采集采樣點(diǎn)，然后采用計(jì)算方法內(nèi)插一些數(shù)據(jù)，內(nèi)插技術(shù)是評(píng)估用一些點(diǎn)來組成波形是否和原來的圖像的靠近程度，一般的內(nèi)插技術(shù)(waveform interpolation)有線性和sin(x)/x兩種。

如果沒有特別表明的情況下，示波器給出的采樣速率都是實(shí)時(shí)采樣速率，也就是一次采樣的速率。

實(shí)時(shí)采樣示意圖如上面所示，它在一次采樣中采盡量多的點(diǎn)，而且都是順序采樣的。由于采樣得到的點(diǎn)是離散的點(diǎn)，而我們顯示一般情況下都是顯示波形曲線(當(dāng)然也可以用點(diǎn)顯示模式，但是很少用)，這就涉及到一個(gè)內(nèi)插的問題，將點(diǎn)還原為曲線，一般有兩種方法：直線連接和曲線模擬，曲線模擬主要使用正弦曲線做擬合，效果分別見下面所示。

2.等效采樣：

每個(gè)周期采樣一些點(diǎn)，經(jīng)過多個(gè)周期后將這些點(diǎn)拼起來，就是一個(gè)完整的圖，不過這要求波形是周期性的，否則誤差會(huì)比較大。等效采樣有兩種方式：一種是隨機(jī)采樣，另外一種是順序采樣。

對(duì)于那些快速信號(hào)，實(shí)時(shí)采樣可能一次采不到足夠的點(diǎn)，于是就要采用等效采樣，等效采樣只對(duì)那些周期性的信號(hào)有意義。等效采樣有兩種，一種是隨機(jī)采樣，另外一種是順序采樣，隨機(jī)的示意圖如下：

由于是周期性的信號(hào)，信號(hào)在每個(gè)周期都是一樣的，隨機(jī)采樣就將整個(gè)波形分開采樣，隨機(jī)采集信號(hào)，經(jīng)過數(shù)個(gè)周期，就能夠?qū)⒁粋€(gè)完整的波形采集完畢，將這些采集點(diǎn)拼起來，就是一個(gè)完整的波形了。而順序采樣，就是按照順序來，第一次采1、2、3點(diǎn)，第二次采4、5、6點(diǎn)等，直到將整個(gè)波形采集完畢。

無論是哪種等效采樣方式，它們的結(jié)果就是提高采樣能力，比如一個(gè)實(shí)時(shí)采樣的速率為1GSa/s的示波器，它使用等效采樣的方式來采樣，每次都用最高的實(shí)時(shí)采樣速率采集數(shù)據(jù)，花了10次才將一個(gè)波形周期采集完畢，那么它的等效采樣速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。

對(duì)于實(shí)時(shí)采樣，主要表示了單次波形的采集能力，而等效采樣，主要用于周期性的信號(hào)的采樣。比如TDS784的實(shí)時(shí)采樣速率為4GSa/s，而等效采樣速率則高達(dá)250GSa/s。

第四部分 示波器的操作與控制

示波器的主要是三個(gè)部分，垂直控制、水平控制和觸發(fā)控制，除此外，很多數(shù)字示波器都提供了“軟鍵”(soft key)控制，通過在示波器的屏幕周圍排放一些鍵，對(duì)于屏幕里面的菜單，這些鍵在不同的菜單中對(duì)應(yīng)不同的項(xiàng)目，因此定義不固定，故稱之為“軟鍵”。因?yàn)橛辛恕败涙I”，很多功能都可以做了進(jìn)去，比如波形參數(shù)的測(cè)試、高級(jí)觸發(fā)方式等。

下圖是Agilent的54800系列的控制面板示意圖，它主要分為三個(gè)區(qū)，水平控制區(qū)、垂直控制區(qū)和觸發(fā)控制區(qū)，此外還有一些其他的設(shè)置，包括保存和輸入輸出的的部件等。水平控制可以調(diào)整時(shí)基的大小，也就是間隔的大小，示波器中，只有一個(gè)水平控制鈕，調(diào)整它，所有通道的時(shí)間間隔都會(huì)變。垂直控制區(qū)，在這里是每個(gè)通道都有一個(gè)，不過有的示波器為了節(jié)省面板面積，有時(shí)候所有通道共用一個(gè)垂直控制鈕，通過另外的按鍵去選擇通道。有關(guān)這些細(xì)節(jié)，實(shí)踐一下馬上有印象了，這里不做更多的描述。最后一個(gè)是觸發(fā)，這是示波器比較關(guān)鍵的部分，因?yàn)閿?shù)字示波器比起模擬示波器，觸發(fā)的多樣性是它的一大特點(diǎn)，有關(guān)觸發(fā)在下一節(jié)詳細(xì)描述。

第五部分 示波器的觸發(fā)

示波器的觸發(fā)，相對(duì)來說，里面的玄機(jī)就多一點(diǎn)。我們最常使用的是邊沿觸發(fā)，比如上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。

一般示波器的主要觸發(fā)有：

作為熟練的硬件工程師，除了最常用的邊沿觸發(fā)模式外，還應(yīng)該掌握脈沖觸發(fā)中的毛刺觸發(fā)、矮電平觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)，以及單次觸發(fā)等，另外如果需要測(cè)試時(shí)序的話，掌握邏輯觸發(fā)也是很有用的。

下面以 TDS5054為例，介紹一下脈沖觸發(fā)方式。高級(jí)的觸發(fā)設(shè)置在觸發(fā)的菜單中。點(diǎn)擊菜單中TRIG，在下拉菜單中選擇EDGE　SETUP，進(jìn)入如下設(shè)置界面。

1、毛刺Glith觸發(fā)：

選擇了毛刺觸發(fā)后，就可以在右邊選擇毛刺觸發(fā)的類型和寬度，還可以設(shè)置電平等。

2、矮電平Runt觸發(fā)

2-5-3 矮電平觸發(fā)設(shè)置-上下界線設(shè)置示意圖

設(shè)置完畢就可以開始進(jìn)行測(cè)試，見上圖。

3、脈沖寬度Width觸發(fā)

在選擇了寬度width后，在下邊選項(xiàng)Polarity選擇脈沖極性，然后在脈沖寬度選項(xiàng)Trig When 中選擇觸發(fā)類型(超出設(shè)置值還是小于設(shè)置值)和設(shè)置數(shù)值，見下圖，再設(shè)定電平，設(shè)置完畢就可以開始測(cè)試了。

圖 2-5-4

上面幾種觸發(fā)，在測(cè)試總線和控制信號(hào)的異常情況方面，比較有用。

4、單次觸發(fā)

單次觸發(fā)并非一個(gè)獨(dú)立的觸發(fā)方式，它和其他方式一起使用，只是其他方式可以進(jìn)行多次的觸發(fā)，而單次觸發(fā)只會(huì)觸發(fā)一次就停止了，并將信號(hào)顯示出來，比如對(duì)于上電的電壓上升的情況、捕獲很少出現(xiàn)的脈沖毛刺等比較有用。

第六部分 示波器的存儲(chǔ)深度

雖然存儲(chǔ)深度是示波器的四大指標(biāo)之一(分別為帶寬、采樣速率、通道數(shù)和存儲(chǔ)深度)，但是最后一個(gè)指標(biāo)，廠家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他們有意淡化這個(gè)問題而已。比如TDS794D的存儲(chǔ)深度，標(biāo)準(zhǔn)配置為每通道50k點(diǎn)。存儲(chǔ)深度和采樣速率的關(guān)系是：

存儲(chǔ)深度=最快采樣速率×最大采樣速率時(shí)限×500

上面公式中的500是指屏幕上面水平方向有10格，每格是50個(gè)點(diǎn)，共500個(gè)點(diǎn)。最大采樣速率時(shí)限是指，示波器在最快的采樣速率情況下，需要多長時(shí)間就可以將存儲(chǔ)器存滿。如果超過此時(shí)限，就會(huì)溢出了，實(shí)際上不會(huì)溢出，而是采取降低采樣速率的方法。

例如上面的TDS794D，在標(biāo)準(zhǔn)配置的情況下，如果用最大的采樣速率(4GSa/s)采樣時(shí)，它的最大采樣速率時(shí)限為25ns，此時(shí)時(shí)基為25/10=2.5ns/div(注：實(shí)際上沒有這個(gè)檔，比較說明而已)，也就是意味著，如果你將時(shí)基調(diào)整到2.5ns/div以上時(shí)，采樣速率就要降低。大家平時(shí)也可能注意到，當(dāng)我們測(cè)試數(shù)兆頻率的信號(hào)，示波器左上角顯示的采樣速率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比示波器的最高采樣速率要小。

存儲(chǔ)深度比較大的好處在于，測(cè)試比較低速的信號(hào)時(shí)，能夠以比較高的采樣速率來取樣，也就是能夠看到更多的細(xì)節(jié)，這就是存儲(chǔ)深度的奧妙所在。

圖2-6-2 顯示了Agilent的54600系列示波器深存儲(chǔ)器的效果。54600系列是Agilent的中低端示波器，一般來說，低端示波器的存儲(chǔ)深度都比較低，比如數(shù)k到數(shù)十k，但是它配備了每通道深達(dá)2M的存儲(chǔ)器，它兼顧了示波器長時(shí)間捕獲及高速采樣兩個(gè)方面，因此能夠看到波形細(xì)節(jié)的可能性大大增大。在圖中，每個(gè)周期中疊加了1500脈沖，其中有一個(gè)失真，示波器就以高亮度顯示，通過放大該亮點(diǎn)，就可以看出脈沖失真的細(xì)節(jié)來。

值得指出的是，存儲(chǔ)深度和采樣速率都有單通道、雙通道、全通道等的差別。比如794D的采樣速率為4GSa/s，其實(shí)它是單通道下面的最高采樣速率，如果開了雙通道，就變成了每個(gè)2GSa/s，如果開了三個(gè)以上通道，就變成每個(gè)通道1GSa/s，同理，在存儲(chǔ)深度也有這樣的情況，就是通道存儲(chǔ)深度。但是這個(gè)不是絕對(duì)的，有很多例外的情況，如TDS220，廠家標(biāo)的采樣速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同樣部分示波器標(biāo)配的存儲(chǔ)器為50k深度，是所有的通道都是50k，這些細(xì)節(jié)需要查看廠家的手冊(cè)才比較明確。還有的694C，也是每個(gè)通道采樣速率達(dá)10GSa/s，不是所有通道采樣速率的和。

第七部分 示波器的探頭

要測(cè)試，示波器就少不了探頭，探頭四個(gè)主要的指標(biāo)為帶寬、輸入電阻、輸入電容和衰減倍數(shù)。探頭的分類如圖2-7-1所示。我們最常用的探頭是測(cè)試電壓波形的有源探頭和無源探頭。

圖 2-7-1 通用探頭的分類情況

圖2-7-2顯示了探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，通常來說帶寬高的探頭，它的輸入阻抗普遍要低。比如同樣是有源探頭的P6204和P6249，帶寬分別為1GHz和4GHz，它們的輸入輸入阻抗分別為10M歐姆和20k歐姆。需要注意的是，阻抗會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率而變化，比如隨著頻率的升高而減低，它不是一個(gè)恒定的數(shù)值。

上圖顯示的是一些比較老的探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，現(xiàn)在已經(jīng)有不少提高了。在低端，主要影響的因素是輸入阻抗，而在高端，主要的影響因素不再是輸入阻抗，而是輸入電容。

探頭作為測(cè)試信號(hào)的連接設(shè)備，其輸入電壓是有限制，因此我們使用探頭時(shí)需要特別注意探頭的測(cè)試范圍。輸入電壓比較高的探頭，它的帶寬也低，反之，帶寬高的探頭，它的輸入電壓范圍比較小。比如有源探頭P6245的帶寬為1.5GHz，它的輸入電壓范圍僅為±40V，而500MHz帶寬的無源探頭P5050的最大輸入電壓為300V。

探頭特別是有源探頭，都需要校準(zhǔn)的。一般是利用示波器提供標(biāo)準(zhǔn)的1kHz的信號(hào)來校準(zhǔn)。圖2-7-3顯示了校準(zhǔn)的效果。

圖 2-7-4 探頭的地線效果示意圖

在測(cè)試時(shí)，我們盡量要使用短的地線和帶寬高的有源探頭。圖2-7-4顯示了一個(gè)比較長的地線(如我們普遍使用探頭夾子，長度大約12cm左右)，和探頭一起圍成了一個(gè)環(huán)型回路，這個(gè)回路，就引入了分布的電感，這個(gè)電感的量級(jí)在50-200nH左右，它和探頭的輸入電容一起就形成了一個(gè)諧振回路，在信號(hào)的邊沿處產(chǎn)生振鈴。由于這種人為操作的誤差是不能徹底消除，但是我們可以盡量選擇短地線來減少它。

下面是同一個(gè)時(shí)鐘，使用兩個(gè)不同的探頭做比較的結(jié)果。

示波器：TEK的TDS580C，1GHz帶寬，4GHz采樣速率。

探頭1：無源探頭P6139，500M帶寬，10M歐姆輸入電阻，8pF輸入電容，10倍衰減，地線比較長，加上夾子大約13cm;

探頭2：有源探頭P6245，1.5GHz帶寬，1M歐姆輸入電阻，1pF輸入電容，10倍衰減，短地線，長約3cm)。

波形2-7-5為無源探頭P6139的測(cè)試波形，圖2-7-6為有源探頭P6245的測(cè)試波形，從兩個(gè)波形看出，無源探頭加長地線的結(jié)果是有比較大的過沖，并有輕微的振蕩。另外由于反射波的原因，造成上升沿變陡。因此如果要得到比較準(zhǔn)確的波形，最好選用帶寬高、輸入電容低的有源探頭，并使用短地線，如果圖方便使用長地線，只會(huì)帶來更大的誤差。

圖 2-7-5 無源探頭P6139的測(cè)試波形圖

圖 2-7-6 有源探頭P6245的測(cè)試波形圖

示波器因?yàn)橛刑筋^的存在而擴(kuò)展了示波器的應(yīng)用范圍，使得示波器可以在線測(cè)試和分析被測(cè)電子電路，

探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個(gè)方面：

其一：因?yàn)樘筋^有負(fù)載效應(yīng)，探頭會(huì)直接影響被測(cè)信號(hào)和被測(cè)電路;

其二：探頭是整個(gè)示波器測(cè)量系統(tǒng)的一部分，會(huì)直接影響儀器的信號(hào)保真度和測(cè)試結(jié)果

一、探頭的負(fù)載效應(yīng)

當(dāng)探頭探測(cè)到被測(cè)電路后，探頭成為了被測(cè)電路的一部分。探頭的負(fù)載效應(yīng)包括下面3部分：

1. 阻性負(fù)載效應(yīng);

2. 容性負(fù)載效應(yīng);

3. 感性負(fù)載效應(yīng)。

圖2探頭的負(fù)載效應(yīng)

阻性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電阻，對(duì)被測(cè)信號(hào)有分壓的作用，影響被測(cè)信號(hào)的幅度和直流偏置。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測(cè)源電阻，以維持小于10%的幅度誤差。

圖3探頭的阻性負(fù)載

容性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電容，對(duì)被測(cè)信號(hào)有濾波的作用，影響被測(cè)信號(hào)的上升下降時(shí)間，影響傳輸延遲，影響傳輸互連通道的帶寬。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路變得正常了，這個(gè)電容效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。一般推薦使用電容負(fù)載盡量小的探頭，以減小對(duì)被測(cè)信號(hào)邊沿的影響。

圖4探頭的容性負(fù)載

感性負(fù)載來源于探頭地線的電感效應(yīng)，這地線電感會(huì)與容性負(fù)載和阻性負(fù)載形成諧振，從而使顯示的信號(hào)上出現(xiàn)振鈴。如果顯示的信號(hào)上出現(xiàn)明顯的振鈴，需要檢查確認(rèn)是被測(cè)信號(hào)的真實(shí)特征還是由于接地線引起的振鈴，檢查確認(rèn)的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線，一般地線電感=1nH/mm。

圖5探頭的感性負(fù)載

二、探頭的類型

示波器探頭大的方面可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。

無源探頭細(xì)分如下：

1. 低阻電阻分壓探頭;

2. 帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭(最常用的無源探頭);

3. 高壓探頭

有源探頭細(xì)分如下：

1. 單端有源探頭;

2. 差分探頭;

3. 電流探頭

最常用的高阻無源探頭和有源探頭簡單對(duì)比如下：

表1有源探頭和無源探頭對(duì)比

低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負(fù)載(<1pf)，較高的帶寬(>1.5GHz)，較低的價(jià)格，但是電阻負(fù)載非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只適合測(cè)試低源阻抗的電路，或只關(guān)注時(shí)間參數(shù)測(cè)試的電路。

圖6低輸入電阻探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭是最常用的無源探頭，一般示波器標(biāo)配的探頭都是此類探頭。帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭具備較高的輸入電阻(一般1Mohm以上)，可調(diào)的補(bǔ)償電容，以匹配示波器的輸入，具備較高的動(dòng)態(tài)范圍，可以測(cè)試較大幅度的信號(hào)(幾十幅以上)，價(jià)格也較低。但是不知之處是輸入電容過大(一般10pf以上)，帶寬較低(一般500MHz以內(nèi))。

圖7常用的無源探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭有一個(gè)補(bǔ)償電容，當(dāng)接上示波器時(shí)，一般需要調(diào)整電容值(需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調(diào)整，調(diào)整時(shí)把探頭連接到示波器補(bǔ)償輸出測(cè)試位置)，以與示波器輸入電容匹配，以消除低頻或高頻增益。下圖的左邊是存在高頻或低頻增益，調(diào)整后的補(bǔ)償信號(hào)顯示波形如下圖的右邊所示。

圖8無源探頭的補(bǔ)償

高壓探頭是帶補(bǔ)償?shù)臒o源探頭的基礎(chǔ)上，增大輸入電阻，使得衰減加大(如：100:1或1000:1等)。因?yàn)樾枰褂媚透邏旱?a target="_blank">元器件，所以高壓探頭一般物理尺寸較大。

圖9高壓探頭的結(jié)構(gòu)

三、有源探頭

我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測(cè)試1ns上升時(shí)間階躍信號(hào)的影響。使用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)1ns的階躍信號(hào)，通過測(cè)試夾具后，使用SMA電纜直接連接到一個(gè)1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會(huì)顯示一個(gè)波形(如下圖中的蘭色信號(hào))，把這個(gè)波形存為參考波形。然后使用探頭點(diǎn)測(cè)測(cè)試夾具去探測(cè)被測(cè)信號(hào)，通過SMA直連的波形因?yàn)槭芴筋^負(fù)載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測(cè)試上升時(shí)間，可以看出無源探頭和有源探頭對(duì)高速信號(hào)的影響。

圖10無源探頭和有源探頭對(duì)被測(cè)信號(hào)和測(cè)量結(jié)果的影響

具體測(cè)試結(jié)果如下：

使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負(fù)載的影響，上升時(shí)間變?yōu)椋?.9ns;探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時(shí)間為：1.85ns;

使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線：受探頭負(fù)載的影響較小，上升時(shí)間仍為：1ns;探頭通道顯示的波形與原始信號(hào)一致，上升時(shí)間仍為：1ns。

單端有源探頭結(jié)構(gòu)圖如下，使用放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達(dá)100Kohm以上)，而輸入電容較小(一般小于1pf)，通過探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬(現(xiàn)在可達(dá)30GHz)，而負(fù)載小，但是價(jià)格相對(duì)較高(一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍較小(這個(gè)需要注意，因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，不能正確測(cè)試。一般動(dòng)態(tài)范圍5V左右)，比較脆弱，使用需小心。

圖11有源探頭結(jié)構(gòu)

差分探頭結(jié)構(gòu)圖如下，使用差分放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高(一般達(dá)50Kohm以上)，而輸入電容較小(一般小于1pf)，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬(現(xiàn)在可達(dá)30GHz)，負(fù)載非常小，具有較高共模抑制比，但是價(jià)格相對(duì)較高(一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍也較小(這個(gè)需要注意，因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，不能正確測(cè)試。一般動(dòng)態(tài)范圍3V左右)，比較脆弱，使用需小心。

差分探頭適合測(cè)試高速差分信號(hào)(測(cè)試時(shí)不用接地)，適合放大器測(cè)試，電源測(cè)試，適合虛地測(cè)試等應(yīng)用。

圖12差分探頭結(jié)構(gòu)

電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)直流和交流電流的測(cè)量。電流探頭把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，示波器采集電壓信號(hào)，再顯示成電流信號(hào)。電流探頭可以測(cè)試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時(shí)需要引出電流線(電流探頭是把導(dǎo)線夾在中間進(jìn)行測(cè)試的，不會(huì)影響被測(cè)電路)。

電流探頭在測(cè)試直流和低頻交流時(shí)的工作原理：

當(dāng)電流鉗閉合，把一通有電流的導(dǎo)體圍在中心時(shí)，相應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)使霍爾傳感器內(nèi)的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在霍爾傳感器的輸出產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。電流探頭根據(jù)這個(gè)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生一個(gè)反向(補(bǔ)償)電流送至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場(chǎng)為零，以防止飽和。電流探頭根據(jù)反向電流測(cè)得實(shí)際的電流值。用這個(gè)方法，能夠非常線性的測(cè)量大電流，包括交直流混合的電流。

圖13電流探頭測(cè)試直流和低頻時(shí)的工作原理

電流探頭在測(cè)試高頻時(shí)的工作原理：

隨著被測(cè)電流頻率的增加，霍爾效應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)測(cè)量一個(gè)不含直流成分的高頻交流電流時(shí)，大部分是通過磁場(chǎng)的強(qiáng)弱直接感應(yīng)到電流探頭的線圈。此時(shí)，探頭就像一個(gè)電流變壓器，電流探頭直接測(cè)量的是感應(yīng)電流，而不是補(bǔ)償電流，功放的輸出為線圈提供一個(gè)低阻抗的接地回路。

圖14電流探頭測(cè)試高頻時(shí)的工作原理

電流探頭在交叉區(qū)域時(shí)的工作原理：

當(dāng)電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區(qū)域時(shí)，部分測(cè)量是通過霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的，另一部分是通過線圈實(shí)現(xiàn)的。

圖15電流探頭交叉區(qū)域的工作原理

四、有源探頭附件

現(xiàn)代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設(shè)計(jì)方法，即：探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設(shè)計(jì)的好處是：

1、支持更多的探頭附件，使得探測(cè)更加的靈活;

2、保護(hù)投資，最貴的是探頭放大器(一個(gè)探頭放大器可以支持多種探測(cè)方式，以前需要幾個(gè)探頭來實(shí)現(xiàn));同時(shí)探頭附件保護(hù)探頭放大器(探頭附件即使損壞，價(jià)格也相對(duì)便宜);

3、這種設(shè)計(jì)方式容易實(shí)現(xiàn)高帶寬。

這些探頭附件，主要包括以下幾種：

1、點(diǎn)測(cè)探頭附件(包括：單端點(diǎn)測(cè)和差分點(diǎn)測(cè));

2、焊接探頭附件(包括：單端焊接和差分焊接，分離式的ZIF焊接);

3、插孔探頭附件;

4、差分SMA探頭附件(示波器一般直接支持SMA連接，但是如果被測(cè)信號(hào)需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件)。

探頭附件的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1、在探頭附件尖端部分會(huì)有一對(duì)阻尼電阻(一般82ohm)，這對(duì)阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響;

2、探頭尖端部分的后面是25Kohm的電阻，這個(gè)電阻決定了探頭的輸入阻抗(直流輸入阻抗即電阻：單端25Kohm，差分50Kohm)，這個(gè)電阻使得被測(cè)信號(hào)傳輸?shù)教筋^放大器部分的功率是非常小的，不至于對(duì)被測(cè)信號(hào)有較大影響。

3、25Kohm的電阻后面是同軸傳輸線部分，這個(gè)傳輸線負(fù)責(zé)把小信號(hào)傳輸?shù)椒糯笃?。這個(gè)傳輸線的長度可以很長，也可以很短，中間可以加衰減器，也可以加耦合電容。

4、同軸傳輸線連接到放大器，放大器是50ohm匹配的(差分100ohm匹配)。

圖17有源探頭附件的結(jié)構(gòu)

有源探頭為了保持探頭的精確度，需要工作在恒溫狀態(tài)，所以探頭放大器不能放置到高低溫箱里進(jìn)行高低溫環(huán)境下被測(cè)電路板的測(cè)試。從探頭附件結(jié)構(gòu)中可見中間的50ohm傳輸線的長短不影響探測(cè)，所以可以用很長的同軸電纜或擴(kuò)展同軸電纜，讓這個(gè)同軸電纜伸進(jìn)高低溫箱里進(jìn)行高低溫?fù)Q進(jìn)下被測(cè)電路板的測(cè)試。如下圖是N5450A擴(kuò)展電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度范圍。

使用N5450A擴(kuò)展電纜和N5381A探頭附件，使用1169A 12GHz探頭放大器，在-55°和150°環(huán)境下的頻響曲線如下圖所示，可見能夠滿足高速信號(hào)測(cè)試的要求。

圖19高低溫探頭在高低溫下的頻響

五、探頭及附件準(zhǔn)確度驗(yàn)證

下圖是一個(gè)例子：被測(cè)信號(hào)是一個(gè)頻率456MHz，邊沿時(shí)間約65ps的時(shí)鐘信號(hào)，分別使用不同類型的探頭和探頭附件的測(cè)試結(jié)果。

A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測(cè)試結(jié)果，幾乎完全復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào);

B圖是使用500MHz的無源探頭的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)完全失真;

C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長的測(cè)試引線的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)出現(xiàn)很大的過沖;

D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長的測(cè)試引線的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)幾乎是正弦波，失真較大。

圖20不同探頭附件測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖中可見探頭和探頭附件對(duì)測(cè)試精確度的影響是非常大的，是我們測(cè)試高速信號(hào)應(yīng)該重點(diǎn)注意的內(nèi)容之一。那我們應(yīng)該如何驗(yàn)證探頭和探頭附件呢?

驗(yàn)證探頭和探頭附件需要使用一臺(tái)脈沖碼型發(fā)生器(如:81134A，3.35GHz速率，60ps邊沿的脈沖碼型發(fā)生器)，如果示波器自帶高速信號(hào)輸出功能，也可以使用示波器的這個(gè)輔助輸出口代替脈沖碼型發(fā)生器(如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以發(fā)一個(gè)高速時(shí)鐘：456MHz頻率，約65ps邊沿)。另外，需要同軸電纜和測(cè)試夾具(Infiniium示波器配置的探頭校準(zhǔn)夾具可以作為探頭和探頭附件驗(yàn)證測(cè)試夾具)。測(cè)試夾具的外表是地(Ground)，里面走線是信號(hào)(Signal)，如下圖所示。使用時(shí)，通過同軸電纜把一端接到脈沖碼型發(fā)生器或示波器的輔助輸出AUX OUT端口，另外一端通過適配器連接到示波器的通道1上。

圖21探頭驗(yàn)證夾具

然后把被驗(yàn)證的探頭連接到通道2上，探頭通過探頭附件可以接觸到測(cè)試夾具的信號(hào)和地(如果是差分探頭，那么把+端連接到測(cè)試夾具的信號(hào)線，把-端連接到測(cè)試夾具的地上)。

1、如果探頭不接觸信號(hào)線，則屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)原始波形，存為參考波形;

2、當(dāng)用探頭探測(cè)信號(hào)線時(shí)，通道1的波形會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化后的波形就是被探頭和探頭附件影響后的被測(cè)信號(hào);

3、這時(shí)，連接探頭的通道2會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波形，這個(gè)波形是探頭測(cè)試到的波形;

4、通過對(duì)比參考波形，通道1的波形，和連接探頭的通道2的波形，就可以直觀的看出或通過測(cè)試參數(shù)讀出三者的差別，可以驗(yàn)證探頭和探頭附件的影響。

圖22探頭驗(yàn)證連接和原理

下圖是實(shí)際驗(yàn)證的一個(gè)例子，圖A把示波器的AUX OUT通過同軸電纜連接到測(cè)試夾具，測(cè)試夾具的另一端通過SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個(gè)通道上(此例連接到通道3)，把探頭連接到通道1上，此時(shí)調(diào)整屏幕上的波形，使得出現(xiàn)一個(gè)邊沿階躍波形，如圖C所示，并把此波形存為參考波形。如圖B把被驗(yàn)證探頭和附件點(diǎn)測(cè)到測(cè)試夾具上，如圖D所示，屏幕上出現(xiàn)3個(gè)波形，蘭色的是參考波形，綠色的是受探頭影響后的被測(cè)波形，黃色的是探頭顯示的波形，通過測(cè)試上升時(shí)間參數(shù)，過沖參數(shù)等，可確認(rèn)探頭和探頭附件的性能。

圖23探頭驗(yàn)證實(shí)例

第八部分 示波器在使用時(shí)要避免的錯(cuò)誤：

在理想情況下，所有探頭都應(yīng)該是一條不會(huì)對(duì)被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生任何干擾的導(dǎo)線，當(dāng)連接到您的電路時(shí)，具有無窮大的輸入電阻，而電容和電感為零。這樣將會(huì)精確復(fù)制被測(cè)信號(hào)。但現(xiàn)實(shí)情況是，探頭會(huì)給電路帶來負(fù)載效應(yīng)。探頭上的電阻、電容和電感元件可能改變被測(cè)電路的響應(yīng)。

每個(gè)電路都不盡相同，它們有自己的電氣特性。因此，每次探測(cè)設(shè)備時(shí)，都需要考慮探頭的特性并選擇對(duì)測(cè)量影響最小的探頭。考慮的范圍包括從示波器輸入端通過電纜到被測(cè)設(shè)備上特定連接點(diǎn)的完整連接，也包括用于連接到測(cè)試點(diǎn)的任何附件或附加導(dǎo)線和焊接。

了解在測(cè)試中可能遇到的錯(cuò)誤，以及如何通過更好的操作改進(jìn)測(cè)量。探頭的電氣特性會(huì)影響測(cè)量結(jié)果和電路的工作。采取措施確保這些影響在可接受的范圍內(nèi)，是成功測(cè)量的關(guān)鍵步驟。在使用示波器時(shí)，常見的錯(cuò)誤有以下七種：

錯(cuò)誤 1沒有校準(zhǔn)探頭

探頭在出廠的之后都進(jìn)行過校準(zhǔn)，但它們沒有針對(duì)示波器前端進(jìn)行校準(zhǔn)。如果它們未在示波器輸入端上進(jìn)行校準(zhǔn)，那么就無法得到正確的測(cè)量結(jié)果。

有源探頭

如果有源探頭沒有針對(duì)示波器進(jìn)行校準(zhǔn)，在測(cè)試時(shí)將看到垂直電壓測(cè)量結(jié)果和上升沿時(shí)序(以及可能的一些失真)出現(xiàn)差異。大多數(shù)示波器具有參考或輔助輸出功能，還配有操作指南來引導(dǎo)工程師完成探頭校準(zhǔn)。

圖 1：發(fā)生器輸出和探測(cè)到的信號(hào)

圖 1 顯示了通道 1(黃色跡線)上的 SMA 電纜和適配器輸入到示波器的 50 MHz 信號(hào)。綠色跡線是通過通道 2 上的有源探頭輸入到示波器的同一信號(hào)。請(qǐng)注意，通道1 上的發(fā)生器輸出為 1.04 Vpp(伏特峰峰值)，通道 2 上探測(cè)到的信號(hào)為 965 mV (毫伏)。另外，通道 1 與通道 2 的偏移高達(dá) 3 ms(毫秒)，所以上升時(shí)間根本不能排成一行。

無源探頭

可以調(diào)節(jié)探頭的可變電容，使補(bǔ)償與正在使用的示波器輸入完美匹配。大多數(shù)示波器都有可以用于校準(zhǔn)或參考的方波輸出。探測(cè)這個(gè)連接，檢查波形是否為方形。根據(jù)需要調(diào)整可變電容，以消除所有下沖或過沖。

圖 2：經(jīng)過幅度和偏移校準(zhǔn)后

如果校準(zhǔn)了這個(gè)探頭，結(jié)果將大為改善?？梢栽趫D 2 中看到經(jīng)過適當(dāng)幅度和偏移校準(zhǔn)后的結(jié)果。幅度現(xiàn)在改善為972 mVpp，偏移得到了糾正，兩個(gè)上升時(shí)間保持一致。

錯(cuò)誤 2 增加探頭負(fù)載效應(yīng)

只要將探頭連接到示波器并將它與待測(cè)設(shè)備接觸，探頭就會(huì)成為電路的一部分。探頭對(duì)待測(cè)設(shè)備施加的電阻、電容和電感負(fù)載效應(yīng)會(huì)影響工程師在示波器屏幕上看到的信號(hào)。這些負(fù)載效應(yīng)可能會(huì)改變被測(cè)電路的工作狀態(tài)。了解這些負(fù)載效應(yīng)，有助于工程師避免為特定的電路或系統(tǒng)選擇錯(cuò)誤探頭。探頭具有電阻、電容和電感特性，如圖3 所示。

圖 3：探頭的基本電路

為了接觸到周圍環(huán)境過于狹小的探測(cè)點(diǎn)，可能需要想方設(shè)法添加長引線或電線。但是，為探頭添加附件或探針會(huì)降低帶寬、增加負(fù)載效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致頻率響應(yīng)不再平坦。

使用盡量短的引線來保持探頭的帶寬和精度。通常，探針的輸入線或引線越長，帶寬減小得就越大。較窄帶寬的測(cè)量可能不會(huì)受到太大影響，但在進(jìn)行較寬帶寬的測(cè)量時(shí)，特別是在1 GHz 以上時(shí)，需要謹(jǐn)慎選擇使用的探針和附件。隨著探頭帶寬降低，您將失去測(cè)量快速上升時(shí)間的能力。圖 4 演示了隨著附件長度的增加，示波器顯示的上升時(shí)間是如何變慢的。為了進(jìn)行最準(zhǔn)確的測(cè)量，最好使用盡量短的探針。

圖 4：不同的探頭引線長度對(duì)應(yīng)的探頭負(fù)載效應(yīng)

另外，最好要使用較短的接地引線，因?yàn)樗鼈冊(cè)介L，引入的電感就越多。保持接地線盡量短并盡量靠近系統(tǒng)接地點(diǎn)，以便確?？芍貜?fù)和準(zhǔn)確的測(cè)量。

技巧：如果必須在探針上添加導(dǎo)線才能接觸到難以到達(dá)的探測(cè)點(diǎn)，那么最好為探針添加一個(gè)電阻，以減弱所添加的導(dǎo)線引起的諧振。添加長引線時(shí)，您可能無法解決帶寬限制問題，但可以將頻率響應(yīng)變平坦。為了確定將要使用的電阻大小，可以探測(cè)一個(gè)已知方波，例如示波器上提供的參考方波。如果電阻設(shè)置正確，您將會(huì)看到一個(gè)干凈的方波(除了其帶寬可能受限之外)。如果信號(hào)發(fā)生振鈴，請(qǐng)?jiān)黾与娮璧拇笮?。單端探頭只需要在探針處增加一個(gè)電阻。如果您使用的是差分探頭，請(qǐng)為每根引線添加一個(gè)電阻。

圖 5：在探針上增加一個(gè)電阻，可以克服長探頭連接所引起的諧振，減少振鈴和過沖。但是，它不能解決由于添加引線導(dǎo)致的帶寬限制

錯(cuò)誤 3 沒有充分利用您的差分探頭

許多人認(rèn)為只有在探測(cè)差分信號(hào)時(shí)才使用差分探頭。在探測(cè)單端信號(hào)時(shí)，是否也可以使用差分探頭?其實(shí)也是可以的。如果使用的好，這將為測(cè)試節(jié)省大量時(shí)間和金錢，并提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。最大限度地利用差分探頭，獲得盡量最好的信號(hào)保真度。

差分探頭可以進(jìn)行與單端探頭相同的測(cè)量，并且由于差分探頭在兩個(gè)輸入端上有共模抑制，所以差分測(cè)量結(jié)果的噪聲大為減少。這使您可以看到被測(cè)設(shè)備信號(hào)的更好表示，而不會(huì)被探測(cè)所增加的隨機(jī)噪聲誤導(dǎo)。

圖 6 中的藍(lán)色單端測(cè)量信號(hào)和圖7 中的紅色差分測(cè)量信號(hào)。藍(lán)色的單端測(cè)量結(jié)果與紅色的差分測(cè)量結(jié)果相比，噪聲要多得多，因?yàn)閱味颂筋^缺少共模校正功能。

圖 6：單端測(cè)量

圖 7：差分測(cè)量

錯(cuò)誤 4 選擇了錯(cuò)誤的電流探頭

大電流和小電流測(cè)量需要捕獲的細(xì)節(jié)并不相同。工程師要知道為應(yīng)用選擇哪種電流探頭更合適，以及使用錯(cuò)誤的探頭可能會(huì)遇到哪些麻煩。

大電流測(cè)量

如果使用鉗形探頭測(cè)量大電流(10A - 3000A)，那么待測(cè)設(shè)備必須足夠小，使鉗形探頭能夠夾住它。如果設(shè)備太大使得鉗形探頭無法夾住，那么工程師可能會(huì)想辦法在探頭鉗夾上添加額外的導(dǎo)線，但這會(huì)改變被測(cè)設(shè)備的特性。更好的辦法是使用合適的工具。

最好的解決方案是使用具有柔性回路探頭前端的大電流探頭?？梢詫⒃撊嵝曰芈防p繞到任何設(shè)備上。這種探頭叫做Rogowski 線圈。它可以讓工程師在不添加未知特性元器件的情況下探測(cè)設(shè)備，使測(cè)量結(jié)果保持高度的信號(hào)完整性。它們還使工程師能夠測(cè)量從mA 級(jí)到數(shù)百 kA 的大電流。請(qǐng)注意，它們只測(cè)量交流電流，所以直流分量將被隔離。它們的靈敏度也低于某些電流探頭。這對(duì)于大電流測(cè)量來說通常不是問題。但是在測(cè)量小電流時(shí)，靈敏度和查看直流分量的能力就變得很重要。請(qǐng)記住，對(duì)一種測(cè)量有效的方式并不一定適用于另一種測(cè)量。

小電流測(cè)量

如果測(cè)量電池供電設(shè)備的電流，則動(dòng)態(tài)范圍會(huì)有很大差異。如果電池供電設(shè)備處于空閑狀態(tài)或僅處理少量后臺(tái)任務(wù)，其電流峰值會(huì)很小。當(dāng)設(shè)備切換到更為活躍的狀態(tài)時(shí)，電流峰值會(huì)大幅提高。使用垂直標(biāo)度較大的示波器設(shè)置，工程師可以測(cè)量大信號(hào)，但小電流信號(hào)將被測(cè)量噪聲掩蓋。另一方面，如果您使用較小的垂直標(biāo)度設(shè)置，那么大信號(hào)會(huì)削波，測(cè)量結(jié)果也將失真并失效。

選擇的電流探頭應(yīng)該不僅能夠測(cè)量從 μA 到A 的寬量程，還可以使用多個(gè)放大器同時(shí)查看大小電流偏差。探頭中的兩個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?/u>允許您設(shè)置放大視圖以查看小電流波動(dòng)，還可以縮小視圖以同時(shí)查看大電流尖峰(參見圖9)。

圖 9：配有兩個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞯碾娏魈筋^讓您可以一次同時(shí)查看大小電流偏差

錯(cuò)誤 5 在紋波和噪聲測(cè)量期間會(huì)錯(cuò)誤地處理直流偏置

直流電源上的紋波和噪聲是由較大直流信號(hào)上的小交流信號(hào)形成的。當(dāng)直流偏置較大時(shí)，可能需要在示波器上使用較大的每格電壓設(shè)置才能在屏幕上顯示信號(hào)。與小交流信號(hào)相比，這樣做會(huì)降低測(cè)量的靈敏度并增加噪聲。這意味著在測(cè)試時(shí)無法獲得信號(hào)交流部分的準(zhǔn)確表示。

如果使用隔直流電容器來解決這個(gè)問題，那么將不可避免地阻隔部分低頻交流內(nèi)容，使工程師無法觀察到信號(hào)在經(jīng)過設(shè)備上的元器件時(shí)發(fā)生的變化。

使用具有較大偏置功能的電源探頭，可以將波形置于屏幕中間，而無需移除直流偏置。這樣可以讓整個(gè)波形都顯示在屏幕上，同時(shí)保持垂直標(biāo)度較小且處于放大狀態(tài)。通過這些設(shè)置，還可以查看瞬態(tài)、紋波和噪聲的細(xì)節(jié)。

錯(cuò)誤 6 未知的帶寬限制

在進(jìn)行重要測(cè)量時(shí)，務(wù)必選擇具有足夠帶寬的探頭。帶寬不足會(huì)使信號(hào)失真，使工程師很難做出明智的工程測(cè)試或設(shè)計(jì)決定。

普遍接受的帶寬計(jì)算公式為：評(píng)測(cè)從 10% 到90% 的上升沿時(shí)，帶寬乘以上升時(shí)間等于 0.35。

BW x Tr = 0.35

值得注意的是，整個(gè)系統(tǒng)帶寬也是需要考慮的重要因素。探頭和示波器的帶寬都要考慮，從而確定系統(tǒng)帶寬。計(jì)算系統(tǒng)帶寬的公式如下所示。

例如，假設(shè)示波器和探頭帶寬均為 500 MHz。使用上面的公式可知，系統(tǒng)帶寬將為353 MHz?？梢钥吹剑c探頭和示波器的兩個(gè)單獨(dú)帶寬相比，系統(tǒng)帶寬大大降低。

現(xiàn)在，如果探頭帶寬僅為300 MHz，示波器帶寬仍為500 MHz，那么應(yīng)用上述公式，系統(tǒng)帶寬進(jìn)一步降至 257 MHz。

錯(cuò)誤 7 被掩蓋的噪聲影響

探頭和示波器的噪聲可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)設(shè)備的噪聲顯得更大。為工程師的應(yīng)用選擇具有合適衰減比的探頭，將會(huì)減小探頭和示波器所添加的噪聲。因此，工程師就能夠獲得更準(zhǔn)確的信號(hào)，更清晰地查看被測(cè)設(shè)備的情況。

圖 10：使用 1:1 和 10:1 探頭測(cè)得的 50mVp-p 正弦波

許多探頭制造商將探頭噪聲描述為等效輸入噪聲(EIN)，并以Vrms 為單位表示。較高的衰減比使您可以測(cè)量較大的信號(hào)，但缺點(diǎn)是示波器將檢測(cè)到這些比率并同時(shí)放大信號(hào)及其噪聲。為了了解這一效應(yīng)的實(shí)際結(jié)果，圖10 中的綠色跡線顯示了使用 10:1 探頭放大后的噪聲。

審核編輯：湯梓紅